管内步伐行走机器人设计

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1、1管道机器人的发展1.1课题的背景及来源本课题来源于实际运输煤气作业中所遇到的困难，许多城市煤气回收萘不彻底，造成在主管道内结萘，管内萘堵塞管内面积超过50%以上，严重影响煤气的运输，以清除管内结萘为目标，着手研制此管内步伐式机器人。1.2管内机器人发展综述机器人是人类新世纪的伟大发明之一，是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备，机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人

2、类的社会生活产生深远的影响。科学技术是第一生产力，在各国之间综合国力的竞争，很大程度上取决于高技术之间的竞争，作为机电一体化的最高成就——机器人技术作为高技术的一个重要分支，普遍受到了各国的重视，随着计算机技术和现代设计制造水平的不断提高，极大的推进了机器人的发展，现代机器人已经成为了一个庞大的家族。1.2.1机器人的定义机器人技术是一种面向未来的现代化技术，机器人技术与网络技术、基因技术、通信技术、计算机技术等一样，属于高新技术。它设计的学科有材料科学、计算机技术、控制技术、传感器技术、微电子技术、通讯技术、人工智能、数学方法、仿生学等等很多

3、学科，所以机器人的定义也是多种多样的，其原因是它具有一定的模糊性。目前有几个国际公认的定义：1979年美国机器人协会将机器人定义为：“可重复编程的多功能操纵器，设计成通过不同的编程动作为执行多种任务移动原料、部件。工具或专门的设备。”1984年12月国际标准化组织中的工业自动化系统委员会所属工业用机器人分会作出的定义：机器人是一种自动控制下通过变成可完成某些操作或移动作业的机器。231988年法国的埃斯皮奥将机器人学定义为：机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象。我国科学家对机器人的定义是：“

4、机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器人具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。1.2.2我国管道机器人的发展、哈尔滨工业大学邓宗全教授自1987年以来开展管内机器人行走机构，在国家自然科学基金的资助下，较全面的研究了不同类型的管道机器人行走机构模型，取得了很多的成果。在1995年哈工大与大庆油建公司合作研制成功的Φ660野外大孔径管线对接焊缝工业X射线检测系统，于1996年通过黑龙江科委主持的鉴定，在陕京管线上进行了工业应用，获得成功。该机器人采用轮式行走机构，双电

5、机驱动，PWM直流脉宽调速，由工控机和MCS-552单片机共同控制，可自动进行图像识别，在管内移动距离300m，在技术上解决了收放线的控制问题和长距离强弱信号混传干扰问题。该项目以达到国际先进水平。图1.1哈尔滨工业大学Φ660管道机器人哈尔滨工业大学于1998年研制的水泥砂浆衬里喷涂补口作业机器人样机（如下图），该机器人采用轮履复合式行走方式，解决了穿越管内凹型障碍的技术难题，针对水泥砂浆的流变学特性，所设计的螺旋送料装置及离心喷涂装置解决了水泥砂浆的补口难题。23图1.2清华大学于2001年研制出了一种轮式管道检测机器人Pipesbot-I

6、，如下图所示，该机器人采用全驱动直进式结构，由三个直流电机通过蜗轮蜗杆副，带动三个径向均布的驱动轮，通过一个剪形弹簧压紧机构使驱动轮撑紧管壁，依靠摩擦力运动。设计指标为：行走速度1km/h，探测长度1km/次，使用管径Ф140mm-180mm。图1.32机器人总体设计方案2.1模块化设计理念2.1.1模块化设计理论基础23模块化设计是在产品设计和生产不断发展的过程中逐步形成的，是一种设计方法。而模块化设计思想却由来已久，其基本思想是以产品（系统）的总功能为对象，以功能分析为基础，将整个产品分解为若干特定的模块，然后通过模块的不同组合，可以得到不

7、同产品、不同功能的产品，以满足市场的各种需求。模块化又称模件化，模块化的定义有很多种，但是按其概念有如下的定义：由若干具有不同用途（或性能）并可互换的模块，经不同的组合，以满足不同需要的这种方法称之为模块化。由此可见模块化应具有四个基本含义：①必须具有一定数量的模块；②应用系统组合原理；③最终要获得能基本满足各种不同功能的需要；④模块化的可分性。进行模块化设计时，必须首先把产品划分为若干模块，然后以模块为基本单元进行设计。因此，模块合理划分与否将直接影响产品的性能、外观以及模块通用化的程度和成本。模块化产品，通常按功能将产品划分为若干单元，并使

8、功能单元独立化，这些单元被称为功能模块，然后由功能棉毛裤系统实现产品的总共能。2.1.2管内步伐机器人的模块化设计模块的设计问题是模块化设计的核心问题